Physical and clinical potential of offline PET, CT imaging after proton radiotherapy [Elektronische Ressource] / presented by Antje-Christin Knopf

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byAntje-Christin Knopfborn in Seeheim-Jugenheim, GermanyOral exam: 22nd of April 2009Physical and Clinical Potential of o†ine PET/CT Imagingafter Proton RadiotherapyReferees: Prof. Dr. U. OelfkeProf. Dr. T. BortfeldZusammenfassungPhysikalisches und klinisches Potential von zeitversetzten PET/CT-Messungennach Strahlentherapiebehandlungen mit ProtonenBei der Behandlung von Krebserkrankungen mit Protonenstrahlen k˜onnen empflndlicheGewebestrukturen direkt hinter dem Zielvolumen durch den schnellen Dosisabfall am Endeder Reichweite von Protonen vor Strahlung geschutzt˜ werden. Dieser ernorme Vorteil vonProtonen wird jedochnichtimmer vollgenutzt, da die Behandlungsplanungund -durchfuhr-˜ung oft schwer einsch˜atzbare Unsicherheiten beinhaltet. Die erfolgversprechendste In-Vivo-Methode zur nicht invasiven Kontrolle von Protonenstrahlbehandlungen ist die Positron11 15Emissions Tomographie (PET). Positronenemitter, wie zum Beispiel C und O, werdenbei nuklearen Reaktionen entlang des Strahlengangs produziert und k˜onnen als r˜aumlicheIndikatoren fur˜ die deponierte Dosis genutzt werden. So lassen sich PET/CT-Messungen als˜Qualit˜at sichernde Ma…nahme zur Uberprufung˜ der tats˜achlich verabreichte Dosis und zurQuantiflzierung von Unsicherheiten nutzen.
Publié le : jeudi 1 janvier 2009
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Antje-Christin Knopf
born in Seeheim-Jugenheim, Germany
Oral exam: 22nd of April 2009Physical and Clinical Potential of o†ine PET/CT Imaging
after Proton Radiotherapy
Referees: Prof. Dr. U. Oelfke
Prof. Dr. T. BortfeldZusammenfassung
Physikalisches und klinisches Potential von zeitversetzten PET/CT-Messungen
nach Strahlentherapiebehandlungen mit Protonen
Bei der Behandlung von Krebserkrankungen mit Protonenstrahlen k˜onnen empflndliche
Gewebestrukturen direkt hinter dem Zielvolumen durch den schnellen Dosisabfall am Ende
der Reichweite von Protonen vor Strahlung geschutzt˜ werden. Dieser ernorme Vorteil von
Protonen wird jedochnichtimmer vollgenutzt, da die Behandlungsplanungund -durchfuhr-˜
ung oft schwer einsch˜atzbare Unsicherheiten beinhaltet. Die erfolgversprechendste In-Vivo-
Methode zur nicht invasiven Kontrolle von Protonenstrahlbehandlungen ist die Positron
11 15Emissions Tomographie (PET). Positronenemitter, wie zum Beispiel C und O, werden
bei nuklearen Reaktionen entlang des Strahlengangs produziert und k˜onnen als r˜aumliche
Indikatoren fur˜ die deponierte Dosis genutzt werden. So lassen sich PET/CT-Messungen als
˜Qualit˜at sichernde Ma…nahme zur Uberprufung˜ der tats˜achlich verabreichte Dosis und zur
Quantiflzierung von Unsicherheiten nutzen.
In dieser Arbeit werden die physikalischen und klinischen M˜oglichkeiten von zeitverset-
zten PET/CT-Messungen zur Behandlungskontrolle untersucht. In einer Phantom-Studie
wird die physikalische Reproduzierbarkeit, die Konsistenz und die Sensivit˜at der Meth-
ode erkundet. In einer Patienten-Studie wird ihre klinische Leistungsf˜ahigkeit qualitativ
und quantitativ betrachtet. Dafur˜ werden Daten von 23 Patienten (9 Patientendatens˜atze
wurden vor, 14 im Rhamen dieser Arbeit gesammelt) mit vielf˜altigen Tumorerkrankungen
unterschiedlicher Art und Lokalit˜atern analysiert. Es werden Patientenuntergruppen bes-
timmt, dieausderAnwendungderMethodeammeistenprofltieren. Darub˜ erhinauswerden
technische und methodische Verbesserungen untersucht, die eine breitere Anwendbarkeit
von PET/CT-Messungen zur Behandlungskontrolle bei der Strahlentherapie mit Protonen
erm˜oglichen.Abstract
Physical and Clinical Potential of o†ine PET/CT Imaging after Proton
Radiotherapy
The rapid fall-ofi of dose at the end of range of proton beams has the potential of sparing
critical structures just distal to the target volume. This tremendous advantage of protons
is, however, not always used to its full extent, because treatment planning and delivery in
proton radiotherapy often implies unpredictable uncertainties. The most promising method
foraninvivoandnoninvasivemonitoringofprotonradiotherapyispositronemissiontomog-
11 15raphy (PET). Positron emitters such as C and O are produced via nuclear interactions
alongtheproton beampath, andcan beimagedas a spatial markerofdose deposition. This
way PET/CT imaging can be employed as a quality assurance tool, to verify the actually
delivered dose, and to quantify uncertainties.
Inthisthesisweinvestigatethephysicalandclinicalpotentialofo†inePET/CTimaging
for proton treatment veriflcation. In a phantom study we determine the physical repro-
ducibility, consistency, and sensitivity of the approach. The presented patient study quali-
tatively and quantitatively evaluates its clinical performance. Data of 23 patients (9 patient
data sets were acquired before, 14 within the framework of this work) with various tumor
sites are analyzed. The in uence of difierent challenging factors is studied with respect to
difierent tumor locations. This way patient subgroups that beneflt most from the approach
are determined. Furthermore, possible technological and methodological improvements to
allow for a wider applicability of PET/CT treatment veriflcation are identifled.Preface
This PhD thesis was carried out at the Massachusetts General Hospital (MGH) between
January 2006 and January 2009. The thesis describes the approach to verify dose distribu-
tions, delivered during the course of fractionated radiotherapy with protons, by PET/CT
imaging.
Parts of this work have already been published in a paper called "Quantitative assess-
ment of the physical potential of proton beam veriflcation with PET/CT" [Kno08c] and a
second paper called "Proton beam range veriflcation with o†ine PET/CT scans - Clinical
performance challenges and limitations" [Kno09], which will be submitted soon. Chapter
4 is mainly covered by the flrst papers [Kno08c], while chapter 5 widely presents the con-
tents of the second paper [Kno09]. Parts of the work were presented at flve international
conferences [Kno07, Kno08a, Kno08b, Kno08d, Shi08]. For the contribution at the AAPM
Conference 2007 in Minneapolis [Kno07], a second place as young investigator was awarded.
ThecontributionattheESTROConference2008inGothenburg[Kno08d]washonoredwith
the ESTRO Varian Research Award.

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